基于Wi-Fi的农业大棚监控系统的设计

丁文飞，孙会楠，邢彦辰

(哈尔滨华德学院，黑龙江哈尔滨150025)

农业是我国国民经济的基础，农产品的高产和优产是我国科研工作者面临的重要课题［1］。目前，现代化农业发展非常重视温室栽培，尤其是反季节时期。在温室栽培中，直接影响农作物生长的因素主要有CO2浓度、湿度、温度及光照强度，这些环境因素的监测和控制是实现生产高效优产农作物的关键环节，也是重要手段。

国外一些学者解决的办法是将农业温室监控系统同通信技术相结合，即利用嵌入式技术同GPS、GIS等技术与通信技术相结合，已取得了一定的成绩，使农业领域实现了远程监控、农业环境科学的监测等［2］。我国农业温室监控系统的发展落后于发达国家，最重要的原因是设备的等级偏低，不能实现智能化、自动化。在国家大力支持下，浙江农林大学、浙江工业大学等用无线传感器网络技术结合农业环境，研制出了自动监测环境的系统［3－6］，使我国农业监测系统实现了智能化、自动化，但对于信息交流还具有一定的局限性。笔者设计了基于Wi-Fi的农业大棚监控系统，打破了有线网络的局限性，对于环境信息交流提供了极大的方便，具有可远程控制及终端扩展方便等优点，终端是以IP地址的形式添加，不会增加系统载荷，简化了物理结构的同时，也节约了成本。

1 监控系统体系结构设计

监测系统的体系结构是设计和开发的基石。该系统设计思想是将传感器技术、网络技术、嵌入式技术及无线通信技术相结合，利用Wi-Fi技术将温室中各传感器采集到的农作物生长环境数据，通过无线通信设备进行数据信息的传输，以实现远程监测，方便用户对温室环境进行调节，达到农产品高效优产的目的。其主要组成结构分为无线传感器采集节点、无线网络和监测中心服务端3部分，监测系统体系结构总框图如图1所示。其中采集节点是由传感器单元、微处理器单元和Wi-Fi无线模块单元组成;无线网络是实现Wi-Fi无线模块与监测中心服务端之间的数据传输;监测中心主要由无线路由器和电脑软件构成。

2 现场检测节点的硬件设计

系统的硬件部分主要是指农业微环境多参数现场检测的无线传感网络节点，采用模块化设计，主要包括微控制器、Wi-Fi无线通信部分、传感探测部分、电源部分。

2．1 节点硬件设计方案 硬件设计系统选用了MSP430F149微处理器构成核心处理电路，通过RS-232异步传输接口控制Wi-Fi无线通信模块，进行数据和指令的传输;Wi-Fi无线通信部分采用可以给嵌入式增加TCP-Socket功能的Connectone公司Nano系列的联网控制器，实现网络管理功能以及与上位机进行数据通信;传感器探测部分选取4个传感器采集现场数据，包括温室CO2、光照、湿度及温度;电源部分为各电路提供不同的工作电压。整体硬件框图见图2。

2．2 传感器与处理器的连接方式 MSP430F149芯片共有6个8位可编程P口，其中P1、P2口占2个中断向量，共可以接16个中断源;另外，还可以直接利用P口的输入输出寄存器，直接对外进行通信。

系统使用的BH1750FVI型光照强度数字传感器采用I2C总线接口方式与处理器连接，其中传感器的DVI引脚接到处理器的P1．0端，用于串行输出16 bit数字，体现光照强度。I2C接口引出来的4、6两个引脚是双向I/O线，即为SCK时钟线和SDA数据线;DS18B20数字温度传感器是单总线器件，即只用一根信号线接到I/O口，既供电又传输数据，而且数据传输是双向的，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求;湿度测量选用的是电容式湿度传感器，其变送电路主要由差分电路、单稳态电路、多谐振荡器和平均值运算电路等构成，将传感器采集到的电容值转换为电压值送入处理器;CO2因子测量选用了稳定性好、灵敏度高的固体电解质类型MG811传感器，在使用该传感器时，需加入一个高输入阻抗、低偏置电流的CA3140运算放大器，放大器输出电压端与处理器P6．2引脚相连。光照强度、湿度及温度模块输出的都是模拟信号，可直接与处理器的P6口相连，利用内部的AD12实现模数转换。处理器与传感器的电路连接见图3。

整体设计测试精度高，支持IEEE 802．11标准，抗振动及干扰，终端节点支持低功耗休眠和唤醒功能，并满足体积小和成本低的要求。

3 软件系统设计

在温室农业微环境系统中，软件涉及到的部分有:采集信息、处理数据、收发命令及数据和界面显示等。在该设计中，把软件分为了两个部分:下位机软件，即微环境的现场采集节点嵌入式系统软件;上位机软件，即远程监测控制及显示软件。

3．1 微环境的现场采集软件设计 农业微环境的数据采集终端处理器，程序采用C语言进行开发和编写，以IAR Embedded Workbench软件环境作为下位机软件开发调试平台。其中包括了节点各个模块的初始化、现场数据采集、通过无线网络进行数据发送等软件设计。整个下位机软件程序总流程见图4。

节点模块上电启动后，首先是各个模块的复位初始化，并打开全局中断，然后处理器启动Wi-Fi通信并实现网络连接，便可进行数据传输与远程监测。接下来进行环境因子的采集，包括空气中CO2的浓度、空气湿度及温度、光照强度等。其中温度、湿度和CO2含量的数据信息以模拟信号的形式输出，需经处理器内部的A/D转换模块输出数字信号，然后对数字信息进行编辑后，将得到准确的参数值按位取出并且有序的存储到适当位置;单片机的输入/输出口控制着光照传感器DVI引脚，上电之后拉低大于1us的时间以启动系统，紧接着按照需要设置好所需要的模式，同时接受所采集的数据。

单片机依靠串口通信，控制着Wi-Fi模块，每发出AT+i命令相应的都会返回一个信息且代码长度不定，在处理器设置一个大容量的数组变量来参比返回代码，处理器根据参比返回代码的结果，决定下一步工作状态，数据的接收方式主要是中断形式。Wi-Fi模块与上位机之间的连接建立，采用基于TCP/IP协议的面向连接的流式套接字方式。

3．2 监测中心服务端软件设计 监测中心软件是人机交互界面，涉及到通信、数据显示两部分，即要通过Wi-Fi模块控制微环境的采集节点以及传输数据，又要提供给远程监测者一个易操作、可视化、友好性界面，使操作员通过软件实时得了解监测区域所有监测节点的当前运行状况等数据信息。该系统的软件设计采用以Microsoft Visual Studio2008为开发平台设计，采用MFC消息响应方式，C#语言编写监测界面，实时把数据绘制成动态曲线［7］。图5所示为监测界面软件流程。

现场采集节点与远程监测点的通信是采用Windows Sockets网络开发的技术实现，以流式套接字(SOCK_STREAM)的方式进行程序开发，保证了数据的传输无差错、有序、无重复。此外，该监控系统即在PC端又能在便携式终端对监控中心的各项环境因子进行实时显示，终端只需通过IP地址添加即可完成扩展，增大了系统应用的便捷性。

3．3 监测中心服务端系统实现 监测中心服务端系统主要包括用户注册和登陆、实时监控2大模块。在注册和登陆模块中，提供用户首次登陆需注册，注册成功后，用户信息写入监测用户信息数据库，再次登陆时，只需提供用户名及密码即可;实时监测模块包括现场采集到环境因子信息显示、实时曲线图及监测报告3部分组成。

现场环境因子信息显示主要显示大棚各项环境因素的当前数据与状态，其界面见图6。例如根据农作物及生长阶段的不同适宜温度也不同，温度测量需要显示农作物的种类、生长阶段、适宜温度、当前温度及监测时间等信息，若当前值低于或高于适宜温度范围，则当前值以“红色”形式进行显示，若当前值在设定范围内，则当前值以“蓝色”形式进行显示。这样，监测中心可以直观地看到大棚各项环境因子是否在允许范围之内，并通过监测报告告知当前的状态及是否有必要采取相应措施(如是否增温)。另外，界面的变化曲线图为用户提供直观的环境因子变化趋势。图6是2号大棚辣椒发芽阶段温度实时曲线，X轴表示时间，Y轴表示温度。

界面还提供了现场数据备份与恢复模块，系统将采集到的数据保存在数据中，一旦服务器出现故障，可以按照时间及大棚号对大棚的历史数据进行恢复。除此之外，掌握历史数据以及同一时期数据，可以通过环境因子变化找到一定的规律，方便进行科学的大棚管理。

4 结语

该研究提出的一种基于Wi-Fi技术的农业大棚监控系统的设计，有效解决了现有技术中温室监控系统远程布线困难的问题，又由于监测终端具有易扩展及使用便捷性的特点，使得用户随时随地对农业大棚各环境影响因子进行监控。该系统硬件设计具有抗干扰、低功耗及低成本的特点，软件设计具有运行稳定、显示流畅、曲线清晰等优点，为农业大棚温室环境监测提供了更有效、有力的解决方案。

［1］温阳，徐晓辉．无线通信在智能温室系统中的应用［J］．自动化与仪表，2007(5):48－51．

［2］MOZUMDAR M M R，GREGORETTI F，LAVAGNO L，et al．A framework for modeling，simulation and automatic code generation of sensor network application［C］//SECON 08．5th Annual IEEE Communications Society Conference on．IEEE，2008:515 －522．

［3］牛孝国，朱桂芝，夏宁，等．基于无线传感器网络的农业现场数据采集研究进展［J］．中国农学通报，2009(24):515－519．

［4］吴丽娜，卢会国．基于Web的智能农业大棚监控系统的设计［J］．气象水文海洋仪器，2014(2):74－77．

［5］李丽丽，施伟．农业大棚嵌入式无线温控系统设计［J］．中国农学通报，2011，27(33):278 －282．

［6］郭阳雪．农业大棚温度远程实时监控系统设计［J］．安徽农业科学，2013，41(3):1308 －1310．

［7］NET 开发经典名．C#高级编程［M］．9 版．北京:清华大学出版社，2014．